CN115037255A - 一种低噪声基线恢复电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低噪声基线恢复电路，属于核电子学技术领域。所述低噪声基线恢复电路包括信号输入电路、预放大电路、信号输出电路和基线自动归零电路；所述基线自动归零电路包括直流分量提取电路、缓冲电路和差分放大电路；所述信号输入电路通过所述预放大电路连接至所述直流分量提取电路；所述缓冲电路和所述预放大电路分别连接至所述差分放大电路的差分输入端；所述差分放大电路的输出端连接至所述信号输出电路。该基线恢复电路调试简单，实际验证能达到基线恢复的目的，而且该电路输出的信噪比优于输入前的信噪比。由于带宽限制会使信噪比有微小的提高，加入了输入输出缓冲使得电路有一定的放大功能，带载能力强。

Description

一种低噪声基线恢复电路

技术领域

本发明属于核电子学技术领域，尤其涉及一种低噪声基线恢复电路及其调试方法。

背景技术

在核电子学系统中，为了将核探测器输出脉冲信号的幅度信息无失真地进行放大成形，通常要在前置放大器之后的线性电路中采用滤波成形电路，如极零相消电路、低通滤波电路、基线恢复电路等。

此外，在核辐射探测中，探测器输出信号通过前置放大器、滤波器、和主放大器这一信号处理系统后，由于系统的冲击响应常具有缓慢衰减的尾部，尤其在计数率较高时尾部堆积会引起明显的基线偏移。同时核辐射具有一定的幅度谱并且在时间上随机分布，也会引起基线的涨落。另外隔直电容的充放电也会引起基线的偏移使谱线变宽，分辨率变坏，峰位移动，要解决这些问题需要引进基线恢复电路，基线恢复电路用来克服整个电子学系统基线涨落。

在核电子学电路中，常用的基线恢复器有 CD 基线恢复器、CDD 基线恢复器、反馈式基线恢复器，前馈式基线恢复器等。CD基线恢复电路，原理是利用二极管的非线性特性对电容放电。CD基线恢复电路虽然简单，但是会导致噪声增加一倍，对于使用输出信号较弱的传感器的电离辐射测量仪器会造成低能射线无法测量。例如以SIPM为传感器的谱仪希望信噪比尽可能的高，而SIPM的输出信号本身又比较微弱，如果使用传统的基线恢复电路会导致信噪比至少减小一倍。CDD 基线恢复器虽然适用于双极性信号，但是从功耗角度出发，CDD 基线恢复器需要两个恒流源，并且在无信号时也必须保持恒定电流，因此功耗比较高，且恒流源不易相等。

为此，有学者提出了前馈式基线恢复电路，该电路通过低通滤波电路从输入信号中直接提取直流偏移量后通过后级电压跟随器实现阻抗变换从而使得输出信号减掉直流漂移量达到基线恢复的目的。

然而，发明人在实际应用中发现，上述方案中，直接从输入信号提取直流偏移量，当输入信号较弱时无法完成提取；此外，简单的低通滤波电路构成的直流提取电路在输入信号变化时适应性不强，并且直接前馈式的放大电路布置会给输入信号带来较大干扰；更重要的是，上述前馈式基线恢复电路直接跟随后级电压跟随器，后级的电压跟随器会应负载效应对直流分量取出电路造成影响。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种低噪声基线恢复电路及其调试方法。

在本发明的第一个方面，提出一种低噪声基线恢复电路，所述低噪声基线恢复电路包括信号输入电路、预放大电路、信号输出电路和基线自动归零电路；

所述基线自动归零电路包括直流分量提取电路、缓冲电路和差分放大电路；

所述信号输入电路通过所述预放大电路连接至所述直流分量提取电路；

所述缓冲电路和所述预放大电路分别连接至所述差分放大电路的差分输入端；

所述差分放大电路的输出端连接至所述信号输出电路。

作为本发明的优点之一， 所述预放大电路包括第一差分放大器、第一电阻和第一电容；

所述第一电阻和第一电容并联后，一个并联端点连接至所述第一差分放大器的负相输入端，另一个并联端点连接至所述第一差分放大器的输出端；

所述第一差分放大器的正相输入端连接至所述信号输入电路。

通过预放大电路，避免了使用输出信号较弱的传感器的电离辐射测量仪器会造成低能射线无法测量的问题。

作为本发明的优点之一， 所述直流分量提取电路包括第二电阻、第二电容、第二二极管与第二差分放大器；

作为进一步的改进，所述第二电阻为可变电阻，所述第二电容为可变电容。

所述预放大电路的输出端连接至所述第二差分放大器的正相输入端，并通过所述第二电阻连接至所述第二差分放大器的反相输入端；

通过第二电阻、第二电容、第二二极管与第二差分放大器组成的直流分量提取电路，可有效取出经过所述预放大电路处理后的输入信号中的直流分量。

并且，作为进一步的改进，所述第二电阻为可变电阻，所述第二电容为可变电容，可以根据适应性情况进行电阻和电容调节。

所述缓冲电路包括第三电容、第三电阻与第三差分放大器；

所述第三电阻和第三电容并联后，一个并联端点连接至所述第三差分放大器的负相输入端，另一个并联端点连接至所述差分放大电路与所述第三差分放大器的输出端。

所述直流分量提取电路连接所述缓冲电路；

具体的，所述直流分量提取电路的第二电容和第二电阻连接至所述缓冲电路的第三差分放大器的正相输入端。

所述第二电容通过所述第二电阻连接至所述缓冲电路，并通过所述第二二极管连接至所述第二差分放大器的输出端。

作为本发明的再一个优点之一，上述结构中，由第三电容、第三电阻与第三差分放大器组成的缓冲电路，目的是把直流分量提取电路与后级的电路相隔离，使得后级电路不会因负载效应对直流分量取出电路造成影响。

进一步的，所述预放大电路的输出端通过第五电阻连接至所述第四差分放大器的正相输入端；所述第四差分放大器的正相输入端通过第六电阻接地。

进一步的，所述预放大电路的输出端通过所述第二电阻连接至所述第二差分放大器的负相输入端以及所述第三差分放大器的正相输入端。

在本发明的第二个方面，提供一种第一个方面所述的低噪声基线恢复电路的调试方法。所述调试方法包括，设置所述第二电阻为可变电阻，设置所述第二电容为可变电容；通过改变第二电阻、第二电容的值调节电路的响应速度。

实践证明，传统的CD基线恢复电路会导致噪声幅度翻倍，由于是无源电路，所以没有放大功能，且带负载能力较弱。本发明提出的改良后的基线恢复电路调试简单，通过改变基线归零电路的电容和电阻参数的值可以调节电路的响应速度。实际验证能达到基线恢复的目的，而且该电路输出的信噪比优于输入前的信噪比，因为该电路不仅不会导致噪声翻倍，还由于带宽限制会使信噪比有明显的提高，加入了输入输出缓冲使得电路有一定的放大功能，带载能力强。

本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提出的前馈式基线恢复电路的示意图

图2是本发明提出的低噪声基线恢复电路的主体模块电路图；

图3是图2所述低噪声基线恢复电路的基线自动归零电路的内部结构图；

图4是图2所述低噪声基线恢复电路的预放大电路的内部结构图；

图5是图2所述低噪声基线恢复电路的直流分量提取电路的内部结构图；

图6是图2所述低噪声基线恢复电路的缓冲电路的内部结构图；

图7是图2所述低噪声基线恢复电路的差分放大电路的内部结构图；

图8是图2所述低噪声基线恢复电路的电路设计版图；

图9是图2所述低噪声基线恢复电路的电路参数版图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。

图1是背景技术提出的现有技术提出的前馈式基线恢复电路的示意图，该附图来自现有技术：

朱海港. CdZnTe阵列探测技术研究[D]. 中国民航大学.

在该现有技术中，作者指出，CD 基线恢复器电路简单，由于其只能恢复单极性，并且基线电平为负的信号；所以，实际中很少使用。CDD 基线恢复器虽然适用于双极性信号，但是从功耗角度出发，CDD 基线恢复器需要两个恒流源，并且在无信号时也必须保持恒定电流，因此功耗比较高，且恒流源不易相等。作者采用由低通滤波器和减法电路组成的前馈式基线恢复电路，该电路静态功耗较低，结构较简单。

图1中，通过电阻、电容构成的低通滤波电路，从输入信号中采集直流偏移量，其后一级电压跟随器实现阻抗变换，并与运放一起构成了减法电路，因此输出信号已经减掉了直流漂移量，从而达到基线恢复的目的。

然而，上述方案中，直接从输入信号提取直流偏移量，当输入信号较弱时无法完成提取，尤其是针对以SIPM为传感器的谱仪时基本失去作用。对于使用输出信号较弱的传感器的电离辐射测量仪器会造成低能射线无法测量。例如以SIPM为传感器的谱仪希望信噪比尽可能的高，而SIPM的输出信号本身又比较微弱，如果使用图1的方案会导致信噪比至少减小一倍。

此外，图1采用简单的低通滤波电路构成的直流提取电路在输入信号变化时适应性不强，并且直接前馈式的放大电路布置会给输入信号带来较大干扰；更重要的是，上述前馈式基线恢复电路直接跟随后级电压跟随器，后级的电压跟随器会应负载效应对直流分量取出电路造成影响。

为解决上述方案精度不高并且无法调节适应性不强的问题，发明人经过改进，提出本申请的技术方案如下：

参见图2，本发明提出的低噪声基线恢复电路的主体模块包括信号输入电路、预放大电路、信号输出电路和基线自动归零电路。

其中，信号输入电路连接预放大电路；基线自动归零电路连接信号输出电路。

其中，所述基线自动归零电路的参数可调节。

在图2基础上，参见图3。

在图3中，进一步示出，所述基线自动归零电路包括直流分量提取电路、缓冲电路和差分放大电路。

在结构上，所述信号输入电路通过所述预放大电路连接至所述直流分量提取电路；所述直流分量提取电路连接至所述缓冲电路；

所述缓冲电路和所述预放大电路分别连接至所述差分放大电路的差分输入端；

所述差分放大电路的输出端连接至所述信号输出电路。

所述差分放大电路包括差分放大器，所述差分放大器包括正相输入端和负相输入端。

所述直流分量提取电路连接所述缓冲电路，所述缓冲电路的输出端连接至所述差分放大电路的负相输入端，而所述预放大电路的输出端连接至所述差分放大电路的正相输入端。

直流分量提取电路的参数可调节，以适应性变化。

在图2-图3的基础上，接下来图4-图7分别示出了预放大电路、直流分量提取电路、缓冲电路和差分放大电路的各自的内容结构。

需要注意的是，图4-图7作为单独的附图来说，仅重点描述各自所在模块，但是对于本领域技术人员来说，结合图2-图3的整体结构，可以理解，图4-图7之间是存在图2图3所述的整体连接关系的。

参见图4，图4是图2所述低噪声基线恢复电路的预放大电路的内部结构图。

所述预放大电路包括第一差分放大器、第一电阻、接地电阻和第一电容；

所述第一电阻和第一电容并联后，一个并联端点连接至所述第一差分放大器的负相输入端，所述第一差分放大器的正相输入端连接至所述信号输入电路，该并联端点通过接地电阻接地；

另一个并联端点连接至所述第一差分放大器的输出端，该并联端点连接至直流分量提取电路以及差分放大电路。

通过预放大电路，避免了使用输出信号较弱的传感器的电离辐射测量仪器会造成低能射线无法测量的问题。

接下来参见图5，图5是图2所述低噪声基线恢复电路的直流分量提取电路的内部结构图。

所述直流分量提取电路包括第二电阻、第二电容、第二二极管与第二差分放大器；

所述预放大电路的输出端直接连接至所述第二差分放大器的正相输入端，并通过所述第二电阻连接至所述第二差分放大器的反相输入端；

所述第二电容的一端连接至所述缓冲电路、所述第二电阻、所述第二二极管与所述第二差分放大器的反相输入端，并通过所述第二二极管连接至所述第二差分放大器的输出端，另一端接地。

通过第二电阻、第二电容、第二二极管与第二差分放大器组成的直流分量提取电路，可有效取出经过所述预放大电路处理后的输入信号中的直流分量。

优选的，所述第二电阻为可变电阻，所述第二电容为可变电容，可以根据适应性情况进行电阻和电容调节。

接下来参见图6，图6是图2所述低噪声基线恢复电路的缓冲电路的内部结构图。

在图6中，所述缓冲电路包括第三电容、第三电阻与第三差分放大器；

所述第三电阻和第三电容并联后，一个并联端点连接至所述第三差分放大器的负相输入端，另一个并联端点连接至所述差分放大电路与所述第三差分放大器的输出端。

如前所述，所述直流分量提取电路连接所述缓冲电路；

具体的，所述直流分量提取电路的第二电容和第二电阻连接至所述缓冲电路的第三差分放大器的正相输入端。

上述结构中，由第三电容、第三电阻与第三差分放大器组成的缓冲电路，目的是把直流分量提取电路与后级的电路相隔离，使得后级电路不会因负载效应对直流分量取出电路造成影响。

接下来参见图7。图7是图2所述低噪声基线恢复电路的差分放大电路的内部结构图。

在图7中，所述差分放大电路包括第四电容、第四电阻与第四差分放大器；所述第四电阻和第四电容并联后，一个并联端点连接至所述第四差分放大器的负相输入端，同时，该并联端点通过输入差分电阻与缓冲电路的输出端连接，即和缓冲电路的第三差分放大器的输出端连接；

另一个并联端点连接至所述信号输出电路以及所述第四差分放大器的输出端。

同时，结合图4的基础上继续参见图7，所述预放大电路的输出端通过第五电阻连接至所述第四差分放大器的正相输入端；所述第四差分放大器的正相输入端通过第六电阻接地。

通过上述差分放大电路，可把从预放大电路输出的信号和直流分量提取电路分离出来的直流分量相减，从而把信号的基线恢复到零电平位置。

结合图2-图7，上述结构中，所述预放大电路的第一差分放大器的输出端通过所述第二电阻连接至所述直流分量提取电路的所述第二差分放大器的负相输入端以及所述缓冲电路的所述第三差分放大器的正相输入端。

作为具体的实施例，所述预放大电路、所述缓冲电路和所述差分放大电路采用电压反馈型差分放大器；所述直流分量提取电路采用低输入偏置电流运算放大器。

基于图2-图7，图8是图1所述低噪声基线恢复电路的电路设计版图。

所述设计版图采用本领域公知的电路布局工具设计，其背景网格（阴影网格）代表布局版，其余的元器件符号遵循本领域的惯用表达。

为方便理解，图7中将部分电路结构采用矩形框框出，实际的电路版图不存在该框，其中显示了预放大电路框、基线自动归零电路框（包括缓冲电路框、直流分量提取电路框以及差分放大电流框）。

对于信号输入电路采用SIG_IN表示，对于信号输出电路，采用SIG_OUT表示。

基于图8，图9给出了设计版图中部分元器件的具体参数值。可以理解，部分元器件未给出参数值的情况，本领域技术人员可以根据实际情况合理设置。

作为说明，在图9的参数值中，GND表示接地；

在一个具体的实施例中， 所述预放大电路、所述缓冲电路和所述差分放大电路采用电压反馈型差分放大器； 所述直流分量提取电路采用低输入偏置电流运算放大器。

第一电容为510pF，第一电阻为2K，第一差分放大器采用AD8038AKSZ；信号输入电阻采用的输入电阻为1K；

第二电阻调节值为10K，第二电容调节值为10μF，第二二极管采用SDMK0340L-7-F;第二差分放大器采用AD8605ARTZ；

第三电容为1nF，第三电阻为10K；第三差分放大器采用AD8038AKSZ；

第四电容为200pF，第四电阻为2K，输入差分电阻为1K，第五电阻为1K，第六电阻为2K；第四差分放大器采用AD8038AKSZ。

图9中示出了第一至第四差分放大器还连接有参考电压端，分别用VCC1-VEE1、VC3V3-GND、VC3V3- VE3V3以及VC5-VE5标识，仅仅是附图标识，具体的参考电压值可基于差分放大器的具体型号确定。

基于图8的设计版图，可以对所述低噪声基线恢复电路进行相应的调试，以符合实际情况。

具体来说，所述调试方法包括，设置所述第二电阻为可变电阻，设置所述第二电容为可变电容；通过改变第二电阻、第二电容的值可以调节电路的响应速度。

实践证明，传统的CD基线恢复电路会导致噪声幅度翻倍，由于是无源电路，所以没有放大功能，且带负载能力较弱。而本发明提出的改良后的基线恢复电路调试简单，通过改变基线归零电路的电容和电阻参数的值可以调节电路的响应速度。实际验证能达到基线恢复的目的，而且该电路输出的信噪比优于输入前的信噪比，因为该电路不仅不会导致噪声翻倍，还由于带宽限制会使信噪比有明显的提高，加入了输入输出缓冲使得电路有一定的放大功能，带载能力强。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种低噪声基线恢复电路，所述低噪声基线恢复电路包括信号输入电路、预放大电路、信号输出电路和基线自动归零电路；

其特征在于：

所述基线自动归零电路包括直流分量提取电路、缓冲电路和差分放大电路；

所述信号输入电路通过所述预放大电路连接至所述直流分量提取电路；

所述缓冲电路和所述预放大电路分别连接至所述差分放大电路的差分输入端；

所述差分放大电路的输出端连接至所述信号输出电路。

2.如权利要求1所述的一种低噪声基线恢复电路，其特征在于：

所述直流分量提取电路连接所述缓冲电路，所述缓冲电路的输出端连接至所述差分放大电路的负相输入端。

3.如权利要求1所述的一种低噪声基线恢复电路，其特征在于：

所述预放大电路的输出端连接至所述差分放大电路的正相输入端。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种低噪声基线恢复电路，其特征在于：

所述预放大电路包括第一差分放大器、第一电阻和第一电容；

所述第一电阻和第一电容并联后，一个并联端点连接至所述第一差分放大器的负相输入端，另一个并联端点连接至所述第一差分放大器的输出端；

所述第一差分放大器的正相输入端连接至所述信号输入电路。

5.如权利要求4所述的一种低噪声基线恢复电路，其特征在于：

所述直流分量提取电路包括第二电阻、第二电容、第二二极管与第二差分放大器；

所述预放大电路的输出端连接至所述第二差分放大器的正相输入端，并通过所述第二电阻连接至所述第二差分放大器的反相输入端；

所述第二电容通过所述第二电阻连接至所述缓冲电路，并通过所述第二二极管连接至所述第二差分放大器的输出端。

6.如权利要求5所述的一种低噪声基线恢复电路，其特征在于：

所述缓冲电路包括第三电容、第三电阻与第三差分放大器；

所述第三电阻和第三电容并联后，一个并联端点连接至所述第三差分放大器的负相输入端，另一个并联端点连接至所述差分放大电路。

7.如权利要求4所述的一种低噪声基线恢复电路，其特征在于：

所述差分放大电路包括第四电容、第四电阻与第四差分放大器；

所述第四电阻和第四电容并联后，一个并联端点连接至所述第四差分放大器的负相输入端，另一个并联端点连接至所述信号输出电路。

8.如权利要求7所述的一种低噪声基线恢复电路，其特征在于：

所述预放大电路的输出端通过第五电阻连接至所述第四差分放大器的正相输入端；

所述第四差分放大器的正相输入端通过第六电阻接地。

9.如权利要求6所述的一种低噪声基线恢复电路，其特征在于：

所述预放大电路的输出端通过所述第二电阻连接至所述第二差分放大器的负相输入端以及所述第三差分放大器的正相输入端。

10.如权利要求1所述的一种低噪声基线恢复电路，其特征在于：

所述预放大电路、所述缓冲电路和所述差分放大电路采用电压反馈型差分放大器；

所述直流分量提取电路采用低输入偏置电流运算放大器。

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